4_2023_s_8

Название статьи ТЕРМОМЕХАНИКА ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ ДИЗАЙН МАТЕРИАЛОВ С РЕКОРДНО ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Авторы

С.В. ШИЛЬКО, канд. техн. наук, доц., заведующий лабораторией «Механика композитов и биополимеров», Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">shilko_mpri@mail.ru

Д.А. ЧЕРНОУС, канд. техн. наук, доц., ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика композитов и биополимеров», Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь; доцент кафедры «Техническая физика и теоретическая механика», Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">charnavus74@gmail.com

А.И. СТОЛЯРОВ, старший преподаватель кафедры «Механика», Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">a_stol@mail.ru

Ц. ЧЖАН, профессор факультета материаловедения и техники, Харбинский политехнический университет, г. Харбин, Китайская Народная Республика, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">zhang_tsiang@hit.edu.cn
В рубрике МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Год 2023
Номер журнала 4(65)
Страницы 63–75
Тип статьи Научная статья
Индекс УДК 536.2; 539.3; 539.4; 678.073
Идентификатор DOI https://doi.org/10.46864/1995-0470-2023-4-65-63-75
Аннотация На примере металл-алмазных композитов сформулирован и решен ряд задач термомеханики дисперсно-наполненных материалов с высокой теплопроводностью, используемых для термоуправления. В связи с важностью фактора теплопроводности межфазного слоя предложен уточненный метод расчета граничного термического сопротивления. В рамках данного способа рассматриваются два встречных тепловых потока — от матрицы к наполнителю и обратно, а также обеспечивается условие равенства нулю термического сопротивления при одинаковых значениях термомеханических характеристик указанных компонент. На основе микромеханической модели дисперсно-наполненного композита разработан аналитический метод определения эффективного коэффициента теплопроводности металл-алмазных композитов. Метод позволяет учесть граничное термическое сопротивление, наличие на алмазной частице тонкого покрытия, анизометрию алмазных частиц и пористость металлической матрицы. Результаты выполненного параметрического анализа сопоставлены с известными экспериментальными данными и оценками, полученными в рамках существующих моделей. Сделан вывод о правомерности использования разработанного метода. Разработана упрощенная конечно-элементная модель представительного объема металл-алмазных композитов в виде куба, образованного алюминиевой матрицей и содержащего 27 упорядоченно расположенных сферических алмазных частиц одинакового радиуса с модифицирующим вольфрамовым покрытием. При заданной разности температур на противоположных гранях куба вычисляется распределение плотности теплового потока и эффективный коэффициент теплопроводности металл-алмазных композитов. Сопоставление результатов использования конечно-элементной модели и упомянутого выше аналитического метода свидетельствует об их хорошем соответствии. Осуществлена модификация конечно-элементной модели с целью наиболее полного соответствия реальной внутренней структуре металл-алмазных композитов, изученной при помощи рентгеновской микротомографии высокого разрешения. Выполнен численный анализ температурного поля, термонапряженного состояния и кинетики разрушения алюминиево-алмазного композита при термоциклировании.
Ключевые слова терморегулирование, металл-алмазный композит, теплопроводность, граничное термическое сопротивление, термонапряженное состояние, кинетика разрушения, микромеханическая модель, конечно-элементный анализ
  Полный текст статьи Вам доступен
Список цитируемой литературы
  1. Khan, J.A. A review on advanced carbon-based thermal interface materials for electronic devices / J. Khan, S.A. Momin, M. Mariatti // Carbon. — 2020. — Vol. 168. — Pp. 65–112. — DOI: https://doi.org/:10.1016/j.carbon.2020.06.012.
  2. Effect of interface structure on thermal conductivity and stability of diamond/aluminum composites / P. Zhu [et al.] // Composites Part A. Applied science and manufacturing. — 2022. — Vol. 162. — 11 p. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107161.
  3. Predicted interfacial thermal conductance and thermal conductivity of diamond/Al composites with various interfacial coatings / X. Liang [et al.] // Rare Metals. — 2011. — Vol. 30, iss. 5. — Pp. 544–549. — DOI: https://doi.org/10.1007/s12598-011-0427-x.
  4. Prasher, R. Acoustic mismatch model for thermal contact resistance of van der Waals contacts / R. Prasher // Applied Physics Letters. — 2009. — Vol. 94, iss. 4. — DOI: https://doi.org/10.1063/1.3075065.
  5. Interfacial structure of carbide-coated graphite/Al composites and its effect on thermal conductivity and strength / H. Jia [et al.] // Materials. — 2021. — Vol. 14, iss. 7. — DOI: https://doi.org/10.3390/ma14071721.
  6. Theoretical analysis of interfacial design and thermal conductivity in graphite flakes/Al composites with various interfacial coatings / Y. Liu [et al.] // Science and Engineering of Composite Materials. — 2022. — Vol. 29, iss. 1. — Pp. 500–507. — DOI: https://doi.org/10.1515/secm-2022-0152.
  7. Enhanced thermal conductivity of diamond/aluminum composites through tuning diamond particle dispersion / Z. Tan [et al.] // Journal of Materials Science. — 2018. — Vol. 53, iss. 9. — Pp. 6602–6612. — DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-018-2024-y.
  8. Черноус, Д.А. Модифицированная модель Таканаяги деформирования дисперсно-наполненных композитов / Д.А. Черноус, С.В. Шилько // Механика композиционных материалов
    и конструкций. — 2012. — Т. 18, № 4. — С. 543–551.
  9. Кристенсен, Р.М. Введение в механику композитов / Р.М. Кристенсен; пер. с англ. А.И. Бейля, Н.П. Жмудя. — М.: Мир, 1982. — 334 с.
  10. Mori, T. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions / T. Mori, K. Tanaka // Acta Metallurgica. — 1973. — Vol. 21, iss. 5. — Pр. 571–574. — DOI: https://doi.org/10.1016/0001-6160(73)90064-3.
  11. Enhanced thermal conductivity in diamond/aluminum composites with tungsten coatings on diamond particles prepared by magnetron sputtering method / W. Yang [et al.] // Journal of Alloys and Comp. — 2017. — Vol. 726. — Pp. 623–631. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.055.
  12. Anisimova, M. Effective thermal properties of an aluminum matrix composite with coated diamond inhomogeneities / M. Anisimova, A. Knyazeva, I. Sevostianov // International Journal of Engineering Science. — 2016. — Vol. 106. — Pp. 142–154. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2016.05.010.
  13. Microstructure and thermal properties of Al/W-coated diamond composites prepared by powder metallurgy / C. Zang [et al.] // Materials and Design. — 2016. — Vol. 95. — Pp. 39–47. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.085.
  14. Hasselman, D.P.H. Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance / D.P.H. Hasselman, L.F. Johnson // Journal of Composite Materials. — 1987. — Vol. 21, iss. 6. — Pp. 508–515. — DOI: https://doi.org/10.1177/002199838702100602.
  15. Tavangar, R. Assessing predictive schemes for thermal conductivity against diamond-reinforced silver matrix composites at intermediate phase contrast / R. Tavangar, J.M. Molina, L. Weber // Scripta Materialia. — 2007. — Vol. 56, iss. 5. — Pp. 357–360. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.11.008.
  16. Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения / Б.А. Люкшин [и др.]. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. — 311 с.
  17. Шилько, С.В. Двухуровневый метод оптимизации состава материала деталей машин из дисперсно-армированных композитов / С.В. Шилько // Механика машин, механизмов и материалов. — 2019. — № 2(47). — С. 51–57.
  18. Thermal management applied laminar composites with SiC nanowires enhanced interface bonding strength and thermal conductivity / J. Chang [et al.] // Nanoscale. — 2019. — Vol. 11, iss. 34. — Pp. 15836–15845. — DOI: https://doi.org/10.1039/C9NR04644E.
  19. Carbon nanotubes grown on graphite films as effective interface enhancement for aluminum matrix laminated composite in thermal management applications / J. Chang [et al.] // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2018. — Vol. 10, iss. 44. — Pp. 38350–38358. — DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b12691.